El terme microscopi de sonda d’exploració cobreix una gamma de microscopis i tècniques de mesura associades que s’utilitzen per analitzar superfícies. Com a tals, aquestes tècniques cauen sota la física superficial i interfacial. Els microscopis de sonda d’exploració es caracteritzen per fer passar una sonda de mesura sobre una superfície a una distància petita.
Què és un microscopi de sonda d’exploració?
El terme microscopi de sonda d’exploració cobreix una sèrie de microscopis i les seves tècniques de mesura associades que s’utilitzen per analitzar superfícies. El microscopi de sonda d’exploració fa referència a tot tipus de microscopis en què es forma la imatge com a resultat de la interacció entre la sonda i la mostra. Per tant, aquests mètodes difereixen tant de la microscòpia òptica com de la microscòpia electrònica d’escombratge. Aquí no s’utilitzen ni lents òptiques ni electròniques. Al microscopi de la sonda d’exploració, la superfície de la mostra s’escaneja peça a peça amb l’ajut d’una sonda. D'aquesta manera, s'obtenen valors mesurats per a cada punt individual, que finalment es combinen per produir una imatge digital. El mètode de la sonda d’exploració va ser desenvolupat i presentat per primera vegada per Rohrer i Binnig el 1981. Es basa en l’efecte túnel que es produeix entre una punta metàl·lica i una superfície conductora. Aquest efecte constitueix la base de totes les tècniques de microscòpia de sonda d’exploració desenvolupades posteriorment.
Formes, tipus i estils
Existeixen diversos tipus de microscopis de sonda d’exploració, que difereixen principalment en la interacció entre la sonda i la mostra. El punt de partida va ser la microscòpia de túnels d’escombratge, que va permetre per primera vegada realitzar imatges de resolució atòmica de superfícies conductores elèctricament el 1982. Durant els anys següents, es van desenvolupar nombroses altres tècniques de microscòpia de sonda d’exploració. En la microscòpia de túnel d’escombratge, s’aplica una tensió entre la superfície de la mostra i la punta. Es mesura el corrent del túnel entre la mostra i la punta i no s'han de tocar. El 1984 es va desenvolupar per primera vegada la microscòpia òptica de camp proper. Aquí, la llum s’envia a través de la mostra a partir d’una sonda. Al microscopi de força atòmica, la sonda es desvia mitjançant forces atòmiques. Com a regla general, s’utilitzen les anomenades forces de Van der Waals. La desviació de la sonda mostra una relació proporcional a la força, que es determina d'acord amb la constant del ressort de la sonda. La microscòpia de força atòmica es va desenvolupar el 1986. Al principi, els microscopis de força atòmica funcionaven sobre la base d’una punta de túnel que actuava com a detector. Aquesta punta del túnel determina la distància real entre la superfície de la mostra i el sensor. La tècnica fa ús de la tensió del túnel que existeix entre la part posterior del sensor i la punta de detecció. En els temps moderns, aquesta tècnica ha estat substituïda en gran mesura pel principi de detecció, on la detecció es fa mitjançant un feix làser que actua com a indicador de llum. Això també es coneix com microscopi de força làser. A més, es va desenvolupar un microscopi de força magnètica en el qual les forces magnètiques entre la sonda i la mostra serveixen de base per determinar els valors mesurats. El 1986 també es va desenvolupar el microscopi tèrmic d’escombratge, en el qual un petit sensor actua com a sonda d’escaneig. També hi ha l’anomenat microscopi òptic de camp proper, en què la interacció entre la sonda i la mostra consisteix en ones evanescents.
Estructura i funcionament
En principi, tots els tipus de microscopis de sonda d’exploració tenen en comú que escanegen la superfície de la mostra en una quadrícula. Això aprofita la interacció entre la sonda del microscopi i la superfície de la mostra. Aquesta interacció difereix segons el tipus de microscopi de sonda d’exploració. La sonda és enorme en comparació amb la mostra que s’està examinant, però és capaç de detectar les minúscules característiques superficials de la mostra. En aquest punt és especialment rellevant l’àtom més important de la punta de la sonda. Mitjançant la microscòpia de sonda d’exploració, són possibles resolucions de fins a 10 picòmetres. A tall de comparació, la mida dels àtoms oscil·la entre els 100 picòmetres. La precisió dels microscopis òptics està limitada per la longitud d'ona de la llum. Per aquest motiu, només són possibles resolucions d’uns 200 a 300 nanòmetres amb aquest tipus de microscopi. Això correspon a aproximadament la meitat de la longitud d’ona de la llum, per tant, un microscopi electrònic d’escombratge utilitza radiació electrònica en lloc de llum. En augmentar l'energia, la longitud d'ona es pot reduir arbitràriament en teoria. Tanmateix, una longitud d'ona massa curta destruiria la mostra.
Beneficis mèdics i sanitaris
Mitjançant un microscopi de sonda d’exploració, no només és possible escanejar la superfície d’una mostra. En el seu lloc, també és possible seleccionar àtoms individuals de la mostra i tornar-los a col·locar en un lloc predeterminat. Des de principis dels anys vuitanta, el desenvolupament de la microscòpia de sonda d’exploració ha progressat ràpidament. Les noves possibilitats per millorar la resolució de molt menys d’un micròmetre representaven un requisit previ important per als avenços en nanociència i nanotecnologia. Aquest desenvolupament es va produir especialment des dels anys noranta. Basant-se en els mètodes bàsics de microscòpia de sonda d’exploració, actualment se subdivideixen molts altres sub-mètodes. Aquests fan ús de diferents tipus d’interacció entre la punta de la sonda i la superfície de la mostra. Per tant, els microscopis de sonda d’exploració tenen un paper essencial en camps de recerca com la nanoquímica, la nanobiologia, la nanobioquímica i la nanomedicina. Fins i tot s’utilitzen microscopis de sonda d’exploració per explorar altres planetes, com Mart. Els microscopis de sonda d’exploració fan servir una tècnica de posicionament especial basada en l’anomenat efecte piezoelèctric. L'aparell per desplaçar la sonda es controla des d'un ordinador i permet un posicionament molt precís. Això permet escanejar les superfícies de les mostres de manera controlada i muntar els resultats de la mesura en una imatge d’alta resolució enormement.
